【并行计算-CUDA开发】CUDA编程——GPU架构,由sp,sm,thread,block,grid,warp说起
掌握部分硬件知识,有助于程序员编写更好的CUDA程序,提升CUDA程序性能,本文目的是理清sp,sm,thread,block,grid,warp之间的关系。由于作者能力有限,难免有疏漏,恳请读者批评指正。
首先我们要明确:SP(streaming Process),SM(streaming multiprocessor)是硬件(GPU hardware)概念。而thread,block,grid,warp是软件上的(CUDA)概念。
从硬件看
- SP:最基本的处理单元,streaming processor,也称为CUDA core。最后具体的指令和任务都是在SP上处理的。GPU进行并行计算,也就是很多个SP同时做处理。
- SM:多个SP加上其他的一些资源组成一个streaming multiprocessor。也叫GPU大核,其他资源如:warp scheduler,register,shared memory等。SM可以看做GPU的心脏(对比CPU核心),register和shared memory是SM的稀缺资源。CUDA将这些资源分配给所有驻留在SM中的threads。因此,这些有限的资源就使每个SM中active warps有非常严格的限制,也就限制了并行能力。
需要指出,每个SM包含的SP数量依据GPU架构而不同,Fermi架构GF100是32个,GF10X是48个,Kepler架构都是192个,Maxwell都是128个。相同架构的GPU包含的SM数量则根据GPU的中高低端来定。下图给出Nvidia
GTX980 的一个SM示意图,图中每个绿色框框表示一个SP。注意,在Maxwell架构中,Nvidia已经把SM改叫SMM。下图表示的仅仅是一个SMM,一个GPU可以有多个SM(比如16个),最终一个GPU可能包含有上千个SP。这么多核心“同时运行”,速度可想而知,这个引号只是想表明实际上,软件逻辑上是所有SP是并行的,但是物理上并不是所有SP都能同时执行计算,因为有些会处于挂起,就绪等其他状态,这有关GPU的线程调度,以后再写了。
原图
从软件看
thread,block,grid,warp是CUDA编程上的概念,以方便程序员软件设计,组织线程,同样的我们给出一个示意图来表示。
- thread:一个CUDA的并行程序会被以许多个threads来执行。
- block:数个threads会被群组成一个block,同一个block中的threads可以同步,也可以通过shared memory通信。
- grid:多个blocks则会再构成grid。
- warp:GPU执行程序时的调度单位,目前cuda的warp的大小为32,同在一个warp的线程,以不同数据资源执行相同的指令,这就是所谓 SIMT。
对应关系
从软件上看,SM更像一个独立的CPU core。SM(Streaming Multiprocessors)是GPU架构中非常重要的部分,GPU硬件的并行性就是由SM决定的。以Fermi架构为例,其包含以下主要组成部分:
- CUDA cores
- Shared Memory/L1Cache
- Register File
- Load/Store Units
- Special Function Units
- Warp Scheduler
GPU中每个sm都设计成支持数以百计的线程并行执行,并且每个GPU都包含了很多的SM,所以GPU支持成百上千的线程并行执行。当一个kernel启动后,thread会被分配到这些SM中执行。大量的thread可能会被分配到不同的SM,同一个block中的threads必然在同一个SM中并行(SIMT)执行。每个thread拥有它自己的程序计数器和状态寄存器,并且用该线程自己的数据执行指令,这就是所谓的Single Instruction Multiple Thread。
一个SP可以执行一个thread,但是实际上并不是所有的thread能够在同一时刻执行。Nvidia把32个threads组成一个warp,warp是调度和运行的基本单元。warp中所有threads并行的执行相同的指令。一个warp需要占用一个SM运行,多个warps需要轮流进入SM。由SM的硬件warp scheduler负责调度。目前每个warp包含32个threads(Nvidia保留修改数量的权利)。所以,一个GPU上resident thread最多只有
SM*warp个。
SIMT和SIMD
CUDA是一种典型的SIMT架构(单指令多线程架构),SIMT和SIMD(Single Instruction, Multiple Data)类似,SIMT应该算是SIMD的升级版,更灵活,但效率略低,SIMT是NVIDIA提出的GPU新概念。二者都通过将同样的指令广播给多个执行官单元来实现并行。一个主要的不同就是,SIMD要求所有的vector element在一个统一的同步组里同步的执行,而SIMT允许线程们在一个warp中独立的执行。SIMT有三个SIMD没有的主要特征:
- 每个thread拥有自己的instruction address counter
- 每个thread拥有自己的状态寄存器
- 每个thread可以有自己独立的执行路径
更细节的差异可以看这里。
前面已经说block是软件概念,一个block只会由一个sm调度,程序员在开发时,通过设定block的属性,**“告诉”**GPU硬件,我有多少个线程,线程怎么组织。而具体怎么调度由sm的warps scheduler负责,block一旦被分配好SM,该block就会一直驻留在该SM中,直到执行结束。一个SM可以同时拥有多个blocks,但需要序列执行。下图显示了软件硬件方面的术语对应关系:

需要注意的是,大部分threads只是逻辑上并行,并不是所有的thread可以在物理上同时执行。例如,遇到分支语句(if else,while,for等)时,各个thread的执行条件不一样必然产生分支执行,这就导致同一个block中的线程可能会有不同步调。另外,并行thread之间的共享数据会导致竞态:多个线程请求同一个数据会导致未定义行为。CUDA提供了cudaThreadSynchronize()来同步同一个block的thread以保证在进行下一步处理之前,所有thread都到达某个时间点。
同一个warp中的thread可以以任意顺序执行,active warps被sm资源限制。当一个warp空闲时,SM就可以调度驻留在该SM中另一个可用warp。在并发的warp之间切换是没什么消耗的,因为硬件资源早就被分配到所有thread和block,所以该新调度的warp的状态已经存储在SM中了。不同于CPU,CPU切换线程需要保存/读取线程上下文(register内容),这是非常耗时的,而GPU为每个threads提供物理register,无需保存/读取上下文。
总结
掌握部分硬件知识,有助于CUDA性能提升
【并行计算-CUDA开发】CUDA编程——GPU架构,由sp,sm,thread,block,grid,warp说起的更多相关文章
- CUDA开发 - CUDA 版本
"CUDA runtime is insufficient with CUDA driver"CUDA 9.2: 396.xx CUDA 9.1: 387.xx CUDA 9.0: ...
- 【并行计算-CUDA开发】CUDA ---- Warp解析
Warp 逻辑上,所有thread是并行的,但是,从硬件的角度来说,实际上并不是所有的thread能够在同一时刻执行,接下来我们将解释有关warp的一些本质. Warps and Thread Blo ...
- 【并行计算-CUDA开发】从零开始学习OpenCL开发(一)架构
多谢大家关注 转载本文请注明:http://blog.csdn.net/leonwei/article/details/8880012 本文将作为我<从零开始做OpenCL开发>系列文章的 ...
- 《CUDA并行程序设计:GPU编程指南》
<CUDA并行程序设计:GPU编程指南> 基本信息 原书名:CUDA Programming:A Developer’s Guide to Parallel Computing with ...
- 【并行计算-CUDA开发】【视频开发】ffmpeg Nvidia硬件加速总结
2017年5月25日 0. 概述 FFmpeg可通过Nvidia的GPU进行加速,其中高层接口是通过Video Codec SDK来实现GPU资源的调用.Video Codec SDK包含完整的的高性 ...
- 【并行计算-CUDA开发】OpenACC与OpenHMPP
在西雅图超级计算大会(SC11)上发布了新的基于指令的加速器并行编程标准,既OpenACC.这个开发标准的目的是让更多的编程人员可以用到GPU计算,同时计算结果可以跨加速器使用,甚至能用在多核CPU上 ...
- 【并行计算-CUDA开发】 NVIDIA Jetson TX1
概述 NVIDIA Jetson TX1是计算机视觉系统的SoM(system-on-module)解决方案.它组合了最新的NVIDIAMaxwell GPU架构,其具有ARM Cortex-A57 ...
- 【并行计算与CUDA开发】英伟达硬件加速编解码
硬件加速 并行计算 OpenCL OpenCL API VS SDK 英伟达硬件编解码方案 基于 OpenCL 的 API 自己写一个编解码器 使用 SDK 中的编解码接口 使用编码器对于 OpenC ...
- 【并行计算-CUDA开发】CUDA线程、线程块、线程束、流多处理器、流处理器、网格概念的深入理解
GPU的硬件结构,也不是具体的硬件结构,就是与CUDA相关的几个概念:thread,block,grid,warp,sp,sm. sp: 最基本的处理单元,streaming processor 最 ...
随机推荐
- struts2模糊查询
dao层 public interface DimDao { //一个条件 public List<User> userdim(User user); //两个条件且关联表格 public ...
- asp.net上传大文件的解决方案
IE的自带下载功能中没有断点续传功能,要实现断点续传功能,需要用到HTTP协议中鲜为人知的几个响应头和请求头. 一. 两个必要响应头Accept-Ranges.ETag 客户端每次提交下载请求时,服务 ...
- 基础 Linux 命令速查清单
jaywcjlove/linux-command: Linux命令大全搜索工具,内容包含Linux命令手册.详解.学习.搜集.https://git.io/linux https://github. ...
- Django常见命令
在Django的使用过程中需要使用命令让Django进行一些操作,例如创建Django项目,启动Django程序,创建新的APP,数据库迁移等. 1. 创建Django项目 新建一个文件夹来存放项目文 ...
- [pytorch] PyTorch Hook
PyTorch Hook¶ 为什么要引入hook? -> hook可以做什么? 都有哪些hook? 如何使用hook? 1. 为什么引入hook?¶ 参考:Pytorch中autogra ...
- JavaWeb_(Spring框架)SpringAOP面向切面编程
SpringAOP:面向切面编程(面向fifter编程) 通俗易懂术语:所有纵向重复的代码,我们提取成横向的代码 以下文章内容参考知乎:从0带你学习SpringAOP,彻底的理解AOP思想 传送门 1 ...
- 反省——关于csp-s模拟50
本人于搜索csp-s模拟49题解时,有意识地点开了一篇关于csp-s模拟50T2的题解,并知道了题解是二维前缀和以及四维偏序. 更重要的是,那篇博客说有解法二,叫二维莫队. 于是我上网搜索二维莫队,结 ...
- webstorm设置babel,使用es6
原文链接:https://blog.csdn.net/peade/article/details/76522177 网上有很多关于如何设置babel的.我学习着设置,但总差那么几步,没能满足我的需求. ...
- ubuntu 17.04 添加用户到sudo组
最近在系统中安装了KVM和docker,用KVM的时候好好的,可以直接使用virsh等命令.但是安装了docker,使用docker命令时需要在前面加上sudo,这个用起来就挺麻烦的,于是想到dock ...
- git-本机内容git至github
1.修改仓库的名字 github中右上角/settings/Account: 修改后显示的变化: 2.本地和github账号创建联系 (base) localhost:~ ligaijiang$ ss ...